Trabajo Práctico Nº 5 : Aplicaciones no lineales de los amplificadores operacionales

Objeto:

• Analizar las características alinéales de los amplificadores operacionales en aplicaciones electrónicas de consumo e industriales.
• Dibujar la respuesta de salida de un circuito detector conociendo la señal de entrada.
• Analizar el funcionamiento de los circuitos limitadores y recortadores.
• Buscar para los diseños de los circuitos las soluciones prácticas que mejor se adapten a las consignas del presente trabajo práctico.
• Presentar el informe del TP correctamente en tiempo y en forma.

1- En el limitador representando en la figura 1 los diodos zeners son idénticos (02DZ4. 7).

Si Vi es una señal triangular de 5Vp 100 Hz:

a) Dibujar el circuito en MULTISIM.

b) Hacer una descripción del funcionamiento del circuito.

Este circuito funciona básicamente como un operacional inversor al que se le añaden de forma paralela a la resistencia de realimentación 2 diodos zener conectados de forma opuesta entre sí.Cuando el semiciclo positivo atraviesa esos diodos, el primero está conectado en directa y el segundo en inversa, la salida de tensión es entonces igual a la suma de las tensiones en los diodos:
0,7V + 4,7V = 5,4V (debido a que es un inversor el valor de tensión sería de -5,4V)
Al cambiar la tensión de entrada al semiciclo negativo ocurre lo mismo que antes pero la tensión de salida sería positiva.

c) Simular el circuito y analizar los resultados obtenidos.

 Al simular el circuito, y observando los valores de tensión de entrada y salida mostrados en el punto d), podemos comprobar que el circuito cumple efectivamente con su propósito: mantiene la tensión de salida en el valor que brindan los diodos, pero con una pequeña consideración: la caída de tensión que el multisim le otorga al diodo en inversa es de 1V, por lo tanto los niveles de tensión de salida son de +/- 5,7V.
Al cambiar de semiciclo la señal de entrada la tensión de salida adopta, mediante una pequeña curva, el valor máximo que tenga el semiciclo positivo; y así cambia constantemente.


d) Representar la señal de salida Vo(t).

2.- En el circuito recortador de la figura 2 los diodos son idénticos y de silicio 1N914.

Suponiendo que : vi (t) = 5 V. sen 6280.t

a) Hacer una descripción del funcionamiento del circuito.

La intensidad circula por R1 y atraviesa el nodo de tierra virtual, ahí es cuando el hemiciclo positivo entra por la inversora polarizando en directa al diodo 1 y en inversa al diodo 2, cuando pasa el hemiciclo negativo el diodo 1 queda en inversa y el diodo 2 queda polarizado en directa. Cabe aclarar que el diodo que este en directa va a ser por el cual circule la mayor intensidad de corriente, pasando muy poca por la R2. En la salida pasa por R3 y de ahí cae en la masa. La V1 y la V2 alimentan al integrado y forman una fuente partida.

b) Simular el circuito en MULTISIM.

c) Representar Vo (t).

3.- El circuito de la figura 3 representa un circuito amplificador limitador.

a) Hacer una descripción del funcionamiento del circuito.

El circuito funciona como un inversor, con la dferencia que a la salida del 1° operacional se conecta un puente rectificador controlado por 2 potenciómetros, controlando un semiciclo cada uno. Cada potenciómetro, estando al 100%, consigue una Vmax de +/- 5,5V, y estando al 0% la Vmax es de +/- 4,5V, obteniendo así una variación máxima a través de los potenciómetros de 2V. La variación de tención es lineal con respecto a los potenciómetros. El pico constante en la salida se debe al puente rectificador.
El Buffer en la salida hace las veces de "separador" de circuitos, permitiend conectar otro circuito sin que haga de carga para el primero.

b) Observar los cambios de la señal de salida cuando se produce una variación de las tensiones de referencia mediante los potenciómetros R8 y R9 de 1 de 1 Kohm.

R8 y R9 al 100%:

R8 y R9 al 50%:

R8 y R9 al 0%:

 R8 al 0% y R9 al 100%:

 R8 al 100% y R9 al 0%:

c) Dibujar el circuito esquematico con valores comerciales.

d) Simular el circuito en MULTISIM.

Todas las simulaciones hechas con este circuito son mostradas en el punto b).

4.- Se desea implementar un rectificador de precisión de manera que con una señal de control podamos seleccionar que sea positivo o negativo.

a) Hacer una descripción del funcionamiento del circuito.
El circuito del cual se parte es un rectificador de media onda como el que se ve en la siguiente figura:

En este circuito, y debido a los diodos conectados en la realimentación y la salida, la señal de entrada se transforma en la salida en una de media onda, como la siguiente:

A este circuito se le agregan un operacional inversor y unas pocas resistencias para transformarlo en un retificador de precisión, también llamados de onda completa, siendo éste su circuito:

 Por último, para poder seleccionar el semiciclo en el que la señal de salida se ubica, colocamos a la salida un amplificador inversor de G=1 (0dB), conectado con el circuito principal mediante un switch bidireccional al que se le aplica una señal de control para controlar el semiciclo en que se encuentra la salida,pudiendo ocurrir estas 2 variantes:

• Cuando la señal de control es de nivel alto, se cierra el circuito e invierte el signo de la salida, ubicándose en el semiciclo positivo.
• Cuando la señal de control es de nivel bajo, se abre el circuito y mantiene el signo de la salida, ubicándose en el semiciclo negativo.

b) Los cálculos de diseño con la función transferencia de cada etapa del circuito.

En las 3 partes en las que se divide el circuito la función de transferencia es la misma, y debido a que todas las resistencias usadas son de idéntico valor, también lo es su resultado:



c) Dibujar el circuito esquemático con valores comerciales.

d) Simular el circuito en MULTISIM.
Tensiones de salida medidas con el osciloscopio:
Con el switch desactivado:

Al activar el switch:

Nota: La tensión de entrada (amarillo) posee un ciclo positivo igual al de la tensión de salida (verde), pero decidimos mas relevante mostrar esta última antes que la primera, la cual permace constante en todo el ejercicio.

5.- El siguiente circuito de la figura 4 es un detector de valor pico positivo.

El interruptor J1 permite hacer la reposición a cero de medición.

a) Hacer una descripción del funcionamiento del circuito.

b) Los cálculos de diseño con la función transferencia de cada etapa del circuito.

c) Dibujar el circuito esquemático con valores comerciales.

d) Simular el circuito en MULTISIM.

Trabajo Práctico N° 4: Amplificador Operacional Integrador y Derivador

Objeto:

• Determinar la respuesta en frecuencia para las configuraciones de los amplificadores operacionales inegrador y derivador
• Reconocer la gráfica de respuesta en frecuencia de los circuitos ideales y reales utilizando el Bode Platter
• Calcular el ancho de banda BW con las mediciones efectuadas en la simulación con software aplicado
• Determinar losefectos de una red RC sobre diferentes formas de ondas generadas por un generador de funciones, usando circuitos integrador y derivador activos

Desarrollo práctico:

1) Determinación de la respuesta en frecuencia para un circuito integrador con amplificador operacional inversor

a) Dibujar el circuito de la figura 1 utilizando software aplicado

b) Mediante la utilización del Blode Plotter graficar la respuesta en frecuencia de Magnitud, para un rango de 1KHz a 100 KHz. Seleccione la escala vertical de la ganancia desde 0 dB a 30 dB
c) Determinar la frecuenia de corte y el ancho de banda (marcar dichos valores en la curva de respuesta en frecuencia)

Frecuencia de corte: 159 Hz
Ancho de Banda: 159 Hz

d) Mediante la utilización del Blode Plotter graficar la respuesta de Fase, para un rango de 1KHz a 100KHz. Seleccione la lineal del ángulo de la fase desde 90° a 180°.
e) Determinar el valor de la fase a la frecuencia de corte, a 100Hz, a 1KHz y a 5KHz.

Frecuencia de corte (159 Hz):

100Hz:

1KHz:

5KHz:

f)Calcular analíticamente la expresión de la transferencia de tensión en el circuito integrador práctico ¿Cuál es el comportamiento de este circuito en función de la frecuencia?

Este circuito se comporta como pasa-bajos, ya que el ancho de banda se ubica en una zona de baja frecuencia (desde 0 hasta 159 Hz)

Como agregado, dejamos disponible un documento hecho con el programa MathCad, en el que se encuentra el ejercicio 1 completo y también sirve a modo de guía para la realización de sucesivos proyectos con el programa.

http://www.mediafire.com/?kcgjgku962atoc8

2)Análisis del comportamiento del circuito integrador con diferentes funciones en el dominio del tiempo

a) Dibujar el circuito de la figura 2 utilizando software aplicado.

b)Aplicar una señal de onda cuadrada con el generador de funciones de 100Hz y una amplitud de 1Vp. Observar las formas de onda de entrada y salida con el osciloscopio. Graficar la señal de entrada en el canal A y compararla con la señal de salida en el canal B, hacer comentarios.
Indique las escalas del osciloscopio:

Generador de funciones con 100 Hz y una amplitud 1Vp.

FEV CH A: 1 V/DIV
FEV CH B: 10 V/DIV
FEH: 5ms/DIV


Observamos las formas de onda de la entrada y de la salida, tenemos una onda cuadrada a la entrada y una onda con curva a la salida que se debe a la carga y descarga del capacitor, medimos con el osciloscopio y observamos la diferencia de los 2 canales (A y B).

c) Repetir las mediciones del punto b) con una onda cuadrada de 1KHz y 5KHz y graficar las formas de onda.

1KHz:

FEV CH A: 1 V/DIV

FEV CH B: 2 V/DIV

FEH: 500us/DIV

5KHz:

FEV CH A: 1 V/DIV

FEV CH B: 500 mV/DIV

FEH: 100us/DIV


d) Repetir las mediciones del punto b) con una onda triangular de 1KHz y 5KHz y graficar las formas de onda

1 KHz:

FEV CH A: 1 V/DIV

FEV CH B: 1 V/DIV

FEH: 500us/DIV

Observamos una entrada triangular con una salida de onda senoidal desfasada.

5KHz:

FEV CH A: 1 V/DIV

FEV CH B: 200 mV/DIV

FEH: 100us/DIV

Entendemos que al ingresar una onda triangular de 5Khz tendré una salida de una onda senoidal desfasada.

e) Indique los rangos en que el circuito integra y márquelos en la curva de respuesta en frecuencia.

3) Determinación de la respuesta en frecuencia para un circuito derivador con amplificador operacional inversor.

a) Dibujar el circuito de la figura 3 utilizando software aplicado.

b) Mediante la utilización del Blode Plotter graficar la respuesta en frecuencia de Magnitud, para un rango de 1Hz a 20KHz. Seleccione la escala vertical de la ganancia desde 0 dB a 50 dB.
c) Determinar la frecuencia de corte y el ancho e banda (marcar dichos valores en la curva de respuesta en frecuencia).

Frecuencia de corte: 12 KHz
Ancho de banda (medido con un rango máximo de 200KHz): 33 KHz

d) Mediante la utilización del Blode Plotter graficar la respuesta en frecuencia de Fase, para un rango de 1Hz a 20KHz. Seleccione la escala lineal del ángulo de la fase, para un rango de 1Hz a 20KHz. Seleccione la escala lineal del ángulo de la fase desde 0° a -180°.
e) Determinar el valor de la fase a la frecuenciade corte, a 100Hz, a 1KHz y a 5KHz.

Frecuencia de corte (12 KHz):

 

100 Hz:

1 KHz:

 5 KHz:

f) Calcular analíticamente la expresión de la transferencia de tensión en el circuito integrador práctico. ¿Cuál es el comportamiento de este circuito en función de la frecuencia?

Este circuito se comporta como pasa-altos, ya que el ancho de banda se ubica en una zona de alta frecuencia (desde 12KHz hasta 45 KHz).

Como agregado, dejamos disponible un documento hecho con el programa MathCad, en el que se encuentra el ejercicio 3 completo y también sirve a modo de guía para la realización de sucesivos proyectos con el programa.

http://www.mediafire.com/?furw638al8ep55g


4) Análisis del comportamiento del circuitoderivador con diferentes funciones en el dominio del tiempo.

a) Dibujar el circuito de la figura 4 utilizando software aplicado.

b) Aplicar una señal de onda cuadrada con el generador de funciones de 100Hz y una amplitud de 1Vp. Observar las formas de onda de entrada y salida con el osciloscopio. Graficar la señal de entrada en el canal A y compararla con la señal de salida en el canal B, hacer comentarios.
Indique las escalas del osciloscopio:

FEV CH A: 1 V
FEV CH B: 10 V/DIV
FEH: 2ms/DIV


Observamos la entrada y la salida del circuito y tenemos una onda cuadrada a la entrada y un pulso a la salida


c) Repetir las mediciones del punto b) con una onda cuadrada de 1KHz y 5KHz y graficar las formas de onda.

1KHz:

 

FEV CH A: 1 V/DIV

FEV CH B: 10 V/DIV

FEH: 500us/DIV

5KHz:

FEV CH A: 1 V/DIV

FEV CH B: 10 V/DIV

FEH: 100us/DIV

d) Repetir las mediciones del punto b) con una onda triangular de 1KHz y 5KHz y graficar las formas de onda.

1 KHz:

FEV CH A: 1 V/DIV

FEV CH B: 5 V/DIV

FEH: 500us/DIV

5KHz:

FEV CH A: 500 mV/DIV

FEV CH B: 10 V/DIV

FEH: 100us/DIV

e) Indique los rangos en que el circuito integra y márquelos en la curva de respuesta en frecuencia.

f) Redacte las conclusiones finales del presente trabajo práctico.

Este Trabajo Práctico nos fue principalmente útil para cumplir 2 objetivos: el reconocimiento de los circuitos integrador y derivador y la repuesta en frecuencia que cada uno posee; y la utilización de la herramienta Bode Plotter.
El circuito integrador, que usa un capacitor para la realimentación, funciona como pasa-bajos, ubicando su ancho de banda en rangos bajos de frecuencia (hasta 159 Hz, segun las mediciones realizadas).
El circuito derivador, en cambio, utiliza un capacitor en la entrada además de las respectivas resistencias de entrada y realimentación, y su funcionamiento es del tipo pasa-altos, siendo que su ancho de banda comienza en altos rangos de frecuencia (a partir de 12 KHz y hasta los 45KHz).
El Bode Plotter es una herramienta muy potente que funciona dentro del Multisim, y es utilizada para analizar el comportamiento en frecuencia de los circuitos a los que es conectado, pudiendo hacerlo tanto en modo Amplitud, midiendo la amplitud con respecto a la frecuencia (para ancho de banda, por ejemplo), como en modo de Fase, midiendo el ángulo con respecto a la frecuencia (para medir el ángulo de fase).